Gyromorph adlı yeni malzeme ışığı her yönden engelliyor

New York Üniversitesi'nden fizikçi Stefano Martiniani, düzen ile kaos arasındaki çizgiyi bulanıklaştıran yepyeni bir malzeme sınıfı tasarladı. Gyromorph adı verilen bu metamalzemeler, kristallere benzeyen geometrik bir yapıyla sıvılara özgü rastgeleliği bir araya getiriyor. Bu sayede ışığın içlerinden hiçbir açıyla geçmesine izin vermiyor. Çalışma, ışıkla çalışan bilgisayarların gelişimi açısından umut verici görünüyor.

Kristal düzeni ile sıvı rastgeleliği bir arada

Fizikçiler bugüne kadar, yapısal olarak böyle melez malzemelerin üretilemeyeceğini düşünüyordu. Martiniani ise bulgularının bunun aksini gösterdiğini söylüyor. Ona göre belirli kısıtlar altında bu tür bir yapı kurmak mümkün. Yani bir malzeme hem düzenli hem de düzensiz olabiliyor ve bu karışım ışığı engelleme konusunda beklenmedik bir başarı sağlıyor.

Gyromorphlar bir metamalzeme türü. Metamalzemeler, doğada kendiliğinden bulunan maddelerde rastlanmayan özellikler kazansın diye yapısı özenle tasarlanmış maddeler. Işığı, sesi ya da başka dalgaları yönlendirebiliyorlar. Akıllı telefonlarda, tıbbi görüntülemede ve bilgisayarlarda sıkça kullanılıyorlar.

Kalabalık benzetmesi

Martiniani, gyromorphların düzensizliğini bir insan kalabalığına benzetiyor. Herkes düz sıralar halinde hareketsiz dursa, kalabalığın arasından karşıya bakılabilir. İnsanlar rastgele öbekler halinde toplanırsa görüş yine açılmaz. Gyromorph kalabalığında ise düzensizliğin içinde de bir düzen var. Nerede durursanız durun, belirli bir uzaklıkta sizi çevreleyen bir insan halkası görürsünüz. Bu halkanın her bakış noktasından görülmesi, yapının hem rastgele hem de kurallı olduğunu gösteriyor.

Algoritma beklenmedik bir çözüm buldu

Mükemmel yapısal dengeyi yakalamak için Martiniani'nin laboratuvarı, FReSCo adlı bir program geliştirdi. Bu program, araştırmacıların belirlediği özelliklere uygun moleküler yapılar tasarlıyor. Ekip algoritmaya bir hedef verdi ve algoritma bu hedefi çözdü. Üstelik bulduğu çözüm, araştırmacıların beklemediği türdendi. Martiniani bunu şöyle özetliyor: “Elimizde bir algoritma vardı, ona bir hedef verdik ve o hedefi çözdü. Beklemediğimiz bir çözüm buldu. En güzel keşif türü bu.”

Arka plan

Işığı kontrol etmek, modern teknolojinin temel uğraşlarından biri. Düzenli kristal yapılar belirli yönlerde ve belirli dalga boylarında ışığı durdurabilir. Ancak ışığın her yönden gelmesi durumunda, kristalin geometrisi çoğu zaman bazı doğrultularda boşluk bırakır. Tamamen rastgele dağılmış yapılar ise ışığı saçar, fakat engellemeyi her zaman güvenilir biçimde başaramaz. Bu iki yaklaşımın zayıf yanlarını aşmak, yıllardır fizik ve malzeme biliminde önemli bir hedef olarak görülüyor.

Burada devreye giren bir başka unsur da yapay zekâ ve hesaplamalı tasarım yöntemleri. Malzeme tasarımında geleneksel yol, sezgiyle bir yapı önermek ve sonra bunu denemekti. Algoritmik yaklaşımda ise araştırmacı istediği özelliği tanımlıyor, yazılım bu özelliği sağlayan olası düzenlemeleri tarıyor. Böylece insan sezgisinin akla getirmeyeceği geometrilere ulaşılabiliyor.

Neden önemli?

Martiniani'ye göre gyromorphlar, daha az enerji harcayan optik bilgisayarların yapımında kullanılabilir. Optik bilgisayarlar, verileri elektrik yerine ışıkla işliyor ve saklıyor. Işığı istenen yerde tutmak ve istenmeyen yönlere sızmasını önlemek, bu tür sistemlerin verimli çalışması için gerekli. Her açıdan ışığı engelleyebilen bir malzeme, ışık temelli devrelerde yalıtım ve yönlendirme görevlerini üstlenebilir.

bu aşamada, gyromorphların hangi ürünlerde ve ne zaman kullanılabileceğini söylemek için erken. Yine de çalışmanın asıl değeri, bir malzemenin hem düzenli hem düzensiz olamayacağı yönündeki varsayımı sarsması. Bir varsayım çürüdüğünde, yeni malzeme sınıfları için kapı aralanıyor. Algoritmanın araştırmacıların öngörmediği bir çözüme ulaşması da, bilgisayar destekli tasarımın bilimsel keşifte sadece hız kazandıran bir araç olmadığını, yeni fikirler de üretebildiğini gösteriyor.